Двойное лучепреломление – это явление раздвоения (иными словами – расщепления) светового луча на две составляющие при прохождении его через определенную анизотропную среду, в случае когда изначальный луч падает перпендикулярно к поверхности кристалла.
При внезапном падении световой волны на любую поверхность анизотропной среды автоматически возникают две новые преломленные волны, обладающие разной поляризацией и направляющиеся в разные стороны с различными скоростями. Отношение таких амплитуд непосредственно зависит от поляризации луча падающей волны.
На сегодняшний день различают такие виды исследуемого явления:
- линейное;
- эллиптическое;
- симметрическое.
Двойное лучепреломление вызвано неоднозначной скоростью распространения световых лучей, движущихся в различных направлениях. В точке будущего падения естественного света формируется сразу две световых волны. Одна находится в кристалле во всех его сторонах - это обыкновенный луч или же фронт сферической волны. В другой – общая скорость по направлению оптического вектора кристалла одинакова в первой волне, а по перпендикулярному оптической оси направлению этот показатель значительно больше.
Явление двойного лучепреломления в кристаллах
Явление двойного лучепреломления в разнообразных кристаллах часто применяется при построении технических и научных оптических устройств. Именно с помощью этого универсального механизма в жидкостях внутри электрического поля успешно используется концепция преломления лучей для передачи качественных изображений на расстояние, для кинотеатров и так далее.
Двойное лучепреломление, возникающее в стекле при определенной закалке, является признаком для обнаружения опасных ситуаций и нежелательных натяжений в электрических лампочках и стеклянной посуде.
Для такой цели многочисленными оптическими фирмами выпущены мощные поляризационные приборы, которые позволяют в кратчайшие сроки производить качественную оценку натяжений по цвету будущей интерференционной картины, возникающей с помощью двойного лучепреломления.
Также это физическое явление помогает изучать на прозрачных и понятных моделях из стекла или целлулоида такие натяжения, которые формируются при различных деформациях в автомобилях, частях построек и других сооружений. Цветные и яркие картины, получаемые от таких деформируемых последствий, посредством очень простых специальных приборов дают шанс экспертам быстро освободиться от сложных, иногда просто невыполнимых расчетов.
Одноосные кристаллы в двойном лучепреломлении
У одноосных кристаллов в двойном преломлении один из преломленных пучков всегда подчиняется обычной теории преломления. Его называют в физике обыкновенным. Другой пучок носит название необыкновенный, так как он не подчиняется закону преломления и действует по собственным принципам.
Даже при нормальном и очевидном падении светового пучка на поверхность любого кристалла необыкновенный луч может иногда отклоняться от нормали. Обычно, такой процесс не находится в плоскости падения.
Если через этот элемент посмотреть на окружающие объекты, то каждый из них будет автоматически раздваиваться. При вращении и падении кристалла вокруг направления падающего вектора обыкновенный луч находится в состоянии покоя, а необыкновенный начинает двигаться вокруг него по всей окружности.
К одноосным кристаллам такие элементы, как кристаллы исландского шпата или кальцита. В указанных веществах существует определенное выделенное направление, вдоль которого необыкновенная и обыкновенная волна распространяются, не разделяясь в пространстве и времени.
Направление, в котором нет явления двойного лучепреломления, называется оптическим вектором кристалла, который является не прямой линией, проходящей через конкретную точку кристалла, а определенным направлением в самом кристалле.
Любая прямая, расположенная прямо параллельно этому направлению, является оптической осью. Многочисленные исследования обыкновенного и необыкновенного лучей доказывают, что оба вектора полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Систематические колебания оси напряженности электромагнитного поля в обыкновенной волне возникают в той стороне, которая параллельна главному сечению кристалла для простого луча. В необыкновенной волне все колебания вектора напряженности всегда совершаются в плоскости, совпадающей с основным сечением для необыкновенного двойного луча.
Параметр преломления, а, следовательно, и общая скорость распространения для обыкновенного луча не зависит от изначального направления в кристалле. Обыкновенный луч находится и действует в кристалле по законам геометрической оптики.
Для необыкновенного луча показатель итогового преломления изменяется от направления оптической оси до перпендикулярного по отношению к ней вектора.
Распространение электромагнитных волн в анизотропных средах
Двойное лучепреломление в основном объясняется спецификой распространения электрических и магнитных волн в анизотропных, стабильных средах. Электрическое поле любой световой волны E, проникая в определенное вещество, вызывает вынужденные внутренние колебания электронов в молекулах и атомах среды. Колеблющиеся элементы, в свою очередь, являются главным источником вторичного излучения световых лучей. Таким образом, прохождение волны света через вещество – это результат последовательного переизлучения электронов.
В тех случаях, когда двойное лучепреломление крайне велико, можно наблюдать непосредственное определение показателей светового преломления при помощи специальных призм или универсальных кристалло-рефрактометров, позволяющих делать точные измерения в различных направлениях.
В каждом анизотропном веществе нестабильные колебания электронов значительно легче возбуждаются в определенных направлениях. Поэтому электромагнитные волны с разной поляризацией будут двигаться в анизотропном элементе с различными скоростями. Помимо активных кристаллов, двойное лучепреломление часто наблюдается в искусственно анизотропных предметах (в жидкостях, стеклах и др.), находящиеся в электрическом и магнитном полях, под влиянием механических напряжений. В таких ситуациях внешняя среда становится оптически анизотропной, причем оптический вектор направляется параллельно электромагнитной волне.
